Mini LED顯示光學性能分析

作者：楊梅慧林偉瀚于海胡文黨謝沛川來源：《液晶與顯示》日期：2022-08-08人氣：1999

目前液晶顯示（LCD）在市場上仍然占據(jù)主導位置，有機電致發(fā)光顯示（OLED）占據(jù)了部分高端市場。新型顯示領域主要的技術(shù)系統(tǒng)有量子點電致發(fā)光顯示（QLED）和微發(fā)光二極管（Micro LED）顯示。Micro LED顯示利用微米尺寸（一般小于50 μm）^［1］無機LED器件作為發(fā)光像素，來實現(xiàn)主動發(fā)光矩陣式顯示。隨著第三代顯示的需求推動和技術(shù)發(fā)展，Micro LED由于其優(yōu)異的電流飽和密度^［2］、更高的量子效率以及高可靠性，已經(jīng)成為目前技術(shù)的熱點，在Micro LED的器件設計制造和全彩顯示解決方案^［3］，以及VLC通訊^［4-5］、全集成多功能化新型顯示器件^［6］等方面被廣泛研究。根據(jù)現(xiàn)代TRIZ理論的技術(shù)系統(tǒng)S曲線進化趨勢，QLED和Micro LED目前處于嬰兒期^［7］。作為Micro LED前驅(qū)的次微發(fā)光二極管（Mini LED），器件尺寸為50~200 μm^［8］，由于尺寸小，使用板上固晶（COB）工藝可以將屏幕像素間距做到P1.25 mm以下，形成微間距Mini LED顯示產(chǎn)品。Mini LED器件也可以應用在液晶顯示背光燈板上，通過精細化的分區(qū)實現(xiàn)局域動態(tài)調(diào)光來實現(xiàn)高亮度、高動態(tài)對比度的優(yōu)秀畫質(zhì)^［9-10］。Mini LED顯示目前產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成熟，市場規(guī)模逐年增加，并逐漸搶占常規(guī)商業(yè)顯示的市場。Mini LED微間距顯示產(chǎn)品具有高PPI、高亮度、高對比度等特性。Mini LED微間距拼接顯示產(chǎn)品隨著拼接技術(shù)和驅(qū)動技術(shù)的優(yōu)化，將產(chǎn)生4K/8K戶內(nèi)影院產(chǎn)品，有望打開家電消費市場。

Mini LED主動式顯示技術(shù)使用紅綠藍倒裝的Mini LED芯片器件，使用固晶的方式貼在印制電路板（PCB）或者玻璃驅(qū)動基板上面（COB或COG）。相較于使用常規(guī)的支架封裝的LED顯示屏，COB產(chǎn)品因為沒有LED封裝支架的反光杯，像素之間容易發(fā)生光串擾，在大角度觀看Mini LED顯示屏幕時容易出現(xiàn)色偏現(xiàn)象。

2 實驗

本文采用尺寸100 μm的4 mil×8 mil Mini LED芯片，通過COB固晶、表面封膠工藝，制作紅綠藍全彩顯示的Mini LED燈板。表面封膠材料為混合碳粉的有機硅改性環(huán)氧樹脂，封膠厚度為250 μm。樣品1固晶后表面膜壓50 μm厚的黑色膜層，黑膠填縫于Mini LED芯片縫隙之間，等離子清洗芯片表面殘膠后，再膜壓一層200 μm厚度的半透膜，表面為光面。樣品2固晶后注塑模壓40%透過率的改性環(huán)氧樹脂，封膠厚度250 μm，膠體表面為霧面，樣品如圖1所示。屏幕像素間距P為0.68 mm。Mini LED芯片器件長邊方向朝向水平方向。

圖1 Mini LED燈板樣品

Fig.1 Mini LED light board

樣品1和樣品2采用CS2000進行亮度和色坐標光學測試，CS2000鏡頭光學角度為1°。將屏幕按角度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)測試角度為-?90°~90°，測試角度間隔為5°，使用 CS2000 測試樣品在不同角度條件下的色坐標值及亮度值。結(jié)合主觀觀測，得出顯示屏幕的色偏現(xiàn)象及數(shù)值。測試Mini LED RGB 裸晶芯片長邊方向光學數(shù)據(jù)，將其與屏幕角度色坐標變化及色偏現(xiàn)象進行對比，分析屏幕色偏原因。

3 結(jié)果與討論

3.1　實驗結(jié)果

通過主觀觀測，正視屏幕，視線與屏幕法線呈0°時為標準白場，隨著角度的增加，屏幕右角度方向先呈現(xiàn)淡青色再變?yōu)闇\紅色再變?yōu)榈嗌?，左方向則呈現(xiàn)淺紅色現(xiàn)象。使用CS2000將屏幕按角度旋轉(zhuǎn)進行亮度色度測試。

表1為樣品1和樣品2在不同角度下測試的色坐標（CIE1931）數(shù)據(jù)，圖2為依據(jù)表1繪制的屏幕不同角度下的色坐標分布圖，其中橫坐標為CIE 1931顏色坐標的x坐標，縱坐標為顏色坐標的y坐標。如圖2，樣品1在右方向色坐標60°處呈現(xiàn)拐點，依據(jù)表1數(shù)據(jù)，0°~60°視角時x值增加+0.012 7，y值增加+0.001 8，x值增加明顯，即紅色光強增加明顯。60°~85°范圍x值基本不再增加，y值增加0.010 4，即此范圍紅顏色光強降幅明顯。樣品1左方向拐點依然在60°，0°~60°時x值增加+0.023 1，y值增加+0.003 7，x值增加比右方向明顯，即左邊角度偏紅現(xiàn)象比右邊明顯。60°~85°范圍x值變化為-0.009，y值增加0.005 1，大角度視角出現(xiàn)偏淡青色現(xiàn)象。

表1 樣品不同角度色坐標值

Tab.1 Color coordinate values of samples at different angles

樣品1色坐標分布						樣品2色坐標分布
左邊角度/（o）	x	y	右邊角度/（o）	x	y	左邊角度/（o）	x	y	右邊角度/（o）	x	y
0	0.318 8	0.309 4	0	0.318 8	0.309 4	0	0.303 5	0.299 1	0	0.303 5	0.299 1
-5	0.319 7	0.309 4	5	0.316 8	0.310 3	-5	0.305	0.299 5	5	0.303 9	0.299 6
-10	0.322 1	0.309 6	10	0.317 2	0.310 4	-10	0.307	0.299 6	10	0.302 9	0.299 9
-15	0.325 3	0.310 1	15	0.317 7	0.312 1	-15	0.309 4	0.299 9	15	0.303	0.300 8
-20	0.328 1	0.311 1	20	0.318	0.312 4	-20	0.312 4	0.300 3	20	0.303 9	0.301 2
-25	0.329 8	0.311 3	25	0.319 4	0.312 9	-25	0.315 4	0.300 8	25	0.305 6	0.302 1
-30	0.332 3	0.311 9	30	0.321 6	0.313 1	-30	0.318 3	0.301 3	30	0.306 9	0.302 8
-35	0.336 3	0.312 8	35	0.324 2	0.312 8	-35	0.320 7	0.301 8	35	0.309 1	0.302 9
-40	0.338 7	0.312 7	40	0.327 1	0.311 7	-40	0.322 2	0.302	40	0.310 6	0.303
-45	0.340 3	0.312 2	45	0.329 7	0.311 4	-45	0.322 7	0.302 2	45	0.314	0.302 6
-50	0.340 7	0.312 6	50	0.330 8	0.310 9	-50	0.323 3	0.302 4	50	0.315 4	0.302 3
-55	0.341 9	0.312 8	55	0.331	0.310 8	-55	0.322 8	0.302 2	55	0.315 6	0.302 2
-60	0.341 9	0.313 1	60	0.331 5	0.311 2	-60	0.321 7	0.302 8	60	0.315 3	0.302 3
-65	0.341 7	0.313 6	65	0.330 9	0.311 9	-65	0.321	0.303 3	65	0.312 9	0.302 9
-70	0.340 1	0.314 6	70	0.329 4	0.312 8	-70	0.318 2	0.303 9	70	0.31	0.303 8
-75	0.339 3	0.315 3	75	0.329 1	0.314 7	-75	0.313 6	0.304 8	75	0.305 6	0.305 1
-80	0.337 8	0.316 1	80	0.329 7	0.316 5	-80	0.308 2	0.306 2	80	0.300 2	0.307
-85	0.332 8	0.318 2	85	0.331	0.321 6	-85	0.294 9	0.308 6	85	0.287 3	0.309 5

圖2 樣品在不同角度的色坐標分布

Fig.2 Color coordinate distribution of samples at different angles

如圖2所示，樣品2色坐標視角變化趨勢與樣品1相似。其中右向角度色坐標趨勢拐點在55°，0°~55°時x值增加+0.012 1，y值增加+0.003 1，55°~85°范圍時x值變化-0.028 3，y值增加0.007 3，即55°以后白場顏色逐漸偏青。左向角度色坐標趨勢拐點在50°，拐點角度比右方向角度小，0°~50°時x值增加+0.019 8，y值增加+0.003 3，左方向紅色光強比右方向高。50°~85°范圍x值變化-0.028 4，y值變化-0.006 2，即50°以后顏色逐漸偏藍。

將樣品不同角度測試的亮度數(shù)據(jù)進行歸一化處理后制成光型分布圖。兩塊樣品測試的亮度光型分布圖如圖3所示。屏幕樣品1的RGB顏色場光型形狀不匹配而且左右不對稱。GB顏色場光型圖形狀基本重合，紅顏色場右方向大于30°角后形狀突出于藍綠，左方向-5°以后紅顏色場形狀突出于藍綠。即隨著燈板光線出射角度的增大，藍綠芯片亮度衰減趨勢大于紅光的衰減趨勢。其中，紅顏色場左邊方向視角亮度大于右邊方向亮度，而藍綠光顏色場則右邊方向視角亮度大于左邊方向亮度。樣品2的光型圖與樣品1的形狀和趨勢相同。光型的不對稱與前述左右方向色坐標的不對稱對應。

圖3 樣品光型分布

Fig.3 Light type distribution of samples

將Mini LED RGB芯片沿著長邊方向，測試-90°~ 90°之間的光強分布值，將3種芯片的角度光強值歸一化后描繪芯片的光型分布圖，結(jié)果如圖4所示。

圖4 Mini LED RGB裸晶芯片長邊方向光型分布圖（單位：（o））

Fig.4 Light distribution along the long side of Mini LED RGB die chip （unit：（o））

如圖3和圖4，裸晶芯片的光型分布與屏幕的光型分布趨勢類似，均為左右不對稱，但具體形狀不一樣，尤其是紅光，裸晶芯片的收攏程度強于屏幕光型。

3.2　結(jié)果分析

3.2.1　色坐標拐點分析

Mini LED直顯屏幕出現(xiàn)視角色偏現(xiàn)象有兩種情況，現(xiàn)象1是隨視角變化對應顏色發(fā)生變化，即視角色偏且變色?，F(xiàn)象2，視角色偏現(xiàn)象左右兩邊變化不一樣。歸一化后RGB光型視角亮度幅值變化程度數(shù)據(jù)如圖5。

圖5 RGB光型光強變化差值

Fig.5 Light intensity changes of RGB light type

圖5為樣品的紅光與綠光、紅光與藍光的視角光強幅度變化差值。樣品1幅度變化差異值在60°達到峰值，樣品2在50°達到峰值，這與色坐標拐點位置吻合。對于樣品1而言，在出射光0°~60°范圍，隨著出射角度變大，紅光的光強衰減程度弱于藍綠光，出射光大于60°之后，紅光的光強衰減程度強于藍綠光。

樣品1屏幕在60°~85°之間的大角度范圍紅光強度占比迅速減小，一是因為裸晶片本身大角度光強弱，二是因為藍綠光散射效果強于紅光，改性環(huán)氧樹脂介質(zhì)中存在微小碳粉顆粒及氣泡，在此大角度低光強條件下散射效果要強于折反射效果。樣品2的色坐標拐點角度小于樣品1的色坐標拐點角度，是因為樣品1的封膠表面是光面，樣品2的封膠表面是霧面，霧面改變了界面的光線逃逸角方向，即光提取效率增加。

隨著紅綠藍光強衰減程度比例變化，色坐標對應發(fā)生了突變出現(xiàn)拐點。屏幕視角光強衰減程度的變化，估計與RGB裸晶片的發(fā)光光型及RGB色散程度不同有關(guān)。

3.2.2　光型變化分析

如圖4，裸芯片RGB光型形狀不匹配，同時左右不對稱。R光型比GB光型左右兩邊對稱。GB光型一致，角度光強對稱性較差。R光型左方向角度強度稍強于右方向，而GB右方向角度強度高于左方向。以上兩點與Mini LED屏幕的光型不對稱趨勢一致。說明屏幕角度色坐標變化和色偏與Mini LED裸晶芯片RGB光型不匹配相關(guān)。

GB芯片光型對稱性較差則由芯片的結(jié)構(gòu)引起。Mini LED芯片為倒裝芯片，出光面為藍寶石襯底。裸晶芯片及燈板的光型測試均為沿著芯片的長邊方向從左到右，即從芯片的N極到P極轉(zhuǎn)動角度測試。LED芯片制程工藝中N極位置臺階偏低，發(fā)光反應層將被蝕刻掉。其中，GaN型芯片的PN兩極分布在長邊方向左右兩側(cè)的角部位置，因此GB芯片的N極方向的光強會降低，光型左右不對稱。而紅光R芯片的PN兩極分布在長邊方向左右兩側(cè)的居中位置，因此相對于GB來說R光型要對稱。4×8 R芯片P極方向的電流阻擋層（CBL）及電極PAD面積占比比GB大，吸光程度較強，因此R芯片右邊P極方向的光型強度比左邊稍低。

如圖3和圖4，封膠后的屏幕燈板光型發(fā)散程度均高于裸晶光型發(fā)散程度，紅光R的發(fā)散程度最大，即封膠后光逃逸角大于裸晶狀態(tài)的光逃逸角。這可能與封膠前后折射率變化有關(guān)。Mini LED芯片出光面介質(zhì)為藍寶石，折射率為1.768^［11］。Mini LED燈板用的環(huán)氧樹脂為有機硅改性環(huán)氧樹脂，折射率約為1.51^［12-14］，空氣折射率約為1，以上折射率均據(jù)于589.3 nm標準鈉黃光測試數(shù)據(jù)。芯片反應層發(fā)射的光從藍寶石襯底逃逸。封膠后光線在藍寶石襯底與環(huán)氧樹脂界面發(fā)生折射和全反射，折射出的光線進入環(huán)氧樹脂層，光線到達環(huán)氧樹脂與空氣的界面時再次發(fā)生折射和全反射。

（1）

（2）

依據(jù)折射定律公式（1）和全反射公式（2），算出Mini LED裸芯片的光線逃逸角為34.5°，封膠后的Mini LED燈板中芯片的光線進入膠體的逃逸角為59.1°，芯片光取出率增加，如圖6，光線到達環(huán)氧樹脂與空氣界面逃逸角為41.3°，出射光線進行了發(fā)散。環(huán)氧樹脂折射率介于藍寶石襯底及空氣折射率之間，由于界面處折射率發(fā)生改變，增加了界面處的耦合光效，使器件的側(cè)方向上的光通量增加^［15］，因此燈板封膠后出射光型會發(fā)散。其中樹脂層大于41.3°逃逸角的光線反射回藍寶石界面上，藍寶石表面進行PSS（Patterned Sapphire Substrate）處理^［16-17］，同時環(huán)氧樹脂表面進行了霧面處理，用來破壞界面全反射條件從而增加光取出率，并增加光型發(fā)散程度。

圖6 Mini LED芯片及燈板逃逸角

Fig.6 Mini LED chip and light board escape angle

如圖4，Mini LED裸芯片R光型收攏程度比GB強；如圖3，封膠后的燈板R光型發(fā)散程度卻高于GB的角度發(fā)散程度。這可能與不同波長的光線在同一介質(zhì)中折反射角度不一致有關(guān)，即色散現(xiàn)象。

（3）

依據(jù)柯西（A.L.Cauchy）色散經(jīng)驗公式（3）^［18］，參考與封裝膠體折射率相近的BK7玻璃500 nm折射率1.520 942^［11］，計算出改性環(huán)氧樹脂柯西公式常數(shù)A為1.481 88，B為9.77E+03。藍寶石襯底RGB折射率如表2所示^［11］。RGB Mini LED芯片的波長分別為630，530，470 nm，算出3種顏色光在介質(zhì)中的折射率及界面逃逸角數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 RGB顏色介質(zhì)折射率及表面逃逸角

Tab.2 Refractive index and surface escape angle of RGB color

顏色	藍寶石襯底折射率	改性環(huán)氧樹脂折射率	襯底與樹脂界面逃逸角/（o）	樹脂與空氣界面逃逸角/（o）
R	1.766	1.506	58.5	41.6
G	1.772	1.517	58.9	41.3
B	1.777	1.526	59.2	40.9

如表2中計算的逃逸角數(shù)據(jù)，RGB在藍寶石襯底與樹脂界面逃逸角均約59°，已包含裸晶片大部分高能量出射光線，紅光R的聚攏程度比GB強。而在樹脂與空氣界面，紅光的逃逸角大于藍綠光逃逸角，因此紅光裸芯片發(fā)出的光為聚攏光型，但是燈板封膠后紅光的光型轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)散光型，且發(fā)散程度強于藍綠光。

4 結(jié)論

Mini LED直顯屏幕隨著出射角度變大，將產(chǎn)生從正視白場到偏淡紅色再到偏淡青色的角度色偏現(xiàn)象。通過測試及計算發(fā)現(xiàn)，在50°~60°視角位置出現(xiàn)色坐標拐點。拐點前面角度x坐標明顯增加，y坐標基本不變，大于拐點的角度x坐標停滯或減小，y坐標增加明顯。通過光型分析，Mini LED屏幕表面的色偏現(xiàn)象與RGB裸晶片的光型不匹配及光型左右不對稱有關(guān)，同時由于RGB顏色在介質(zhì)中的色散現(xiàn)象，紅光在樹脂界面的逃逸角大于藍綠光，光線經(jīng)過介質(zhì)后紅光光型發(fā)散程度強于藍綠光，紅綠藍光強衰減程度的差異引起了出射光角度色偏現(xiàn)象。

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